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黑龙江省是我国重要的商品粮生产基地,也是优质粳稻的主要产区。河流和水资源量较少并且分布不均,已成为限制黑龙江省水稻发展的瓶颈因素。在此情况下,研究水稻合理灌溉模式,提高水分利用效率,是解决水稻生产瓶颈的关键所在。水分和肥料是水稻生产的最主要两个因素,随着灌溉方式改变,水肥互作关系发生改变。本研究于2013～2015年在大田试验条件下,以黑龙江省主栽品种东农428为试验材料,采用控水灌溉(W1)和常规灌溉(W2)两种灌溉方式,设置0kg·hm-2(No)、50kg·hm-2(N1)、100 kg.hm-2(N2)、150kg.hm-2(N3)和200kg.hm-2(N4)5个氮肥处理,主要研究水氮互作对寒地粳稻生长发育及产量形成、氮磷钾积累及分配、叶片光合特性及氮代谢关键酶的影响,同时对控灌条件下最佳氮肥处理进行基因差异表达研究。结果如下:(1)水氮互作对寒地粳稻水稻生长发育和产量的影响在同一灌溉条件下,氮素对株高产生重要影响,在成熟期N2、N3、N4与N0株高差异均达显著水平;水稻的分蘖数受氮肥影响较大,随施氮量的增加而提高,过量施氮条件下,茎蘖量增加幅度显著下降;在分蘖期和拔节期,叶面积指数随施氮量增加而增加,进入成熟期,过高施氮反而导致叶面积指数下降;水氮互作对水稻生育进程产生影响,控水灌溉植株进入分蘖期、抽穗期、成熟期均比常规灌溉处理提前2d左右;在同一水分条件,随施氮量增加,生育期延后,进入成熟期延迟2-3d。水氮互作不同程度改变了水稻干物质积累速度,随着氮肥施用量增加,干物质积累呈现先增后减的趋势。相同施氮条件,分蘖期控水灌溉干物质积累显著小于常规灌溉,抽穗期和成熟期控水灌溉干物质积累显著大于常规灌溉;控水灌溉根冠比、谷草比均小于常规灌溉;控水灌溉较常规灌溉促进了产量的积累,两种灌溉条件下水稻产量、有效分蘖、实粒数、千粒重均呈现先增加后减少的趋势,在施氮量150kg·hm-2产量最高。(2)水氮互作对寒地粳稻叶片光合特性的影响水氮互作对水稻光合影响较大,控水灌溉提高水稻净光合速率3.38%～11.84%;氮肥的施用量与水稻功能叶的净光合速率密切相关,但叶片的净光合速率随施氮量的增加呈抛物线状,N3处理显著提高水稻群体净光合速率;控水灌溉对蒸腾速率无显著影响,增加施氮量升高蒸腾速率,N4>N3>N2>N1>N0,并差异显著;控水灌溉条件下N3处理水分利用效率最大,显著高于其他处理。叶片SPAD值随生育期推进呈"M"型曲线,即:升高-降低-升高-降低。在分蘖期(移栽后30d)和抽穗期(移栽后60d)分别出现两个峰值;在移栽后90d,控水灌溉较常规灌溉显著增加了水稻叶片SPAD值,延缓叶片衰老速度;在各生育阶段,随施氮量增加叶片SPAD值增加。同一灌溉条件下,光合氮素利用效率随施氮量增加呈逐渐增加趋势,增幅呈现先大后小的趋势,N3处理光合氮素利用效率最高;控水灌溉处理光合氮素利用效率高于常规灌溉处理。(3)水氮互作对寒地粳稻养分吸收的影响水稻植株氮、磷、钾含量随着生育进程的推进,整体呈现一个下降的趋势。与常规灌溉比较,控水灌溉降低了分蘖-拔节期植株磷含量及成熟期的氮含量;施氮肥能够提高植株氮、磷含量,分蘖至拔节期随着施氮水平的提高植株氮含量逐渐增加;施氮能够显著提高植株氮、磷、钾素积累量,且随着施氮量的提高而增加。同一施氮水平下,控水灌溉降低了水稻分蘖期的氮素积累量,提高抽穗至成熟期氮素积累量;施用氮肥降低了成熟期叶、茎所占植株的氮素比例,却提高籽粒比例,且随着施氮量的增加叶片占植株氮素比例呈现下降的趋势;控水灌溉(W1)提高了全生育期的磷素积累量、成熟期植株及茎鞘的钾素积累量;不同水分管理措施下茎鞘的钾素积累量及其占植株的比例表现为控水灌溉(W1)高于常规灌溉(W2),而叶片、籽粒占植株的比例相反。(4)水氮互作对寒地粳稻氮代谢关键酶的影响水稻叶片谷氨酰胺合酶、硝酸还原酶、谷氨酸合成酶、谷草转氨酶和谷丙转氨酶活性均不同程度的受到控水灌溉的影响,控水灌溉可以在不同的生育时期提高谷氨酰胺合酶、硝酸还原酶、谷草转氨酶和谷丙转氨酶的活性。随着施氮量的增加谷氨酰胺合酶、硝酸还原酶、谷氨酸合成酶、谷草转氨酶和谷丙转氨酶活性均有不同程度的增加。综合以上5种酶的测定结果,控水灌溉可以提高几种氮代谢酶的活性,最合理的施氮量为150kg/hm2。(5)控水灌溉条件下最佳氮肥处理根系基因差异表达研究利用HiSeqTM-2000测序平台对控水灌溉下施/不施氮处理下水稻根系进行转录组测序,在差异基因表达分析中,将Fold Change≥1.5且FDR<0.05作为筛选标准。水稻根系中差异表达的基因总量达到3650个(differentially expressed genes,DEGs),1253个上调表达基因中分布于12条染色体上,每条染色体上分别有199、125、112、112、74、90、107、69、82、80、73、79个基因;下调表达的基因有2397个,12条染色体上数量分别为:388、281、379、178、199、192、171、145、105、118、99、81 个。对 DEGs进行GO和Pathway显著富集分析表明:DEGs的COG分类可分为47类;共有54个显著富集的GO term;DEGs参与了 108条代谢途径,共有18条显著富集的Pathway,其中氮代谢途径中注释相关基因Os06g0335900(水解酶)、Os01g0508000(蔗糖代谢)、Os06g0683300(葡糖苷酶)表达量分别是不施氮处理的9.2、4、2.6倍,施氮处理根系抗氧化相关酶基因Os11g0149200(过氧化物酶)、Os06g0547400(过氧化物酶)、Os06g0727200(过氧化氢酶)、Os04g0223300(抗坏血酸过氧化物酶)表达量分别为不施氮处理的10、10、9.3、4.6倍,说明水稻体内氮素吸收与利用可能受到Os06g0335900、Os01g0508000、Os06g0683300基因的调控,同时表明,适量施用氮肥能够促进根系抗氧化酶相关基因表达,提高水稻根系清除活性氧的能力,可有效延缓根系衰老。